摻合料對活性粉末混凝土性能的影響

陳浩宇，李俊毅，王娜，蘇忠純，張鵬

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

1993年法國布伊格（Bouygues）公司的 P.Richard[1]工程師仿效高致密水泥基均勻體系DSP（Densified System Containing Homogenously Arranged Ultra-fine Particle）材料[2]研制出一種新型超高性能混凝土，稱為活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC），該材料選取的是傳統的原材料和傳統的混凝土成型工藝，其原材料為石英砂、水泥、硅粉、細鋼纖維、高效減水劑等，取消了粗骨料，并且根據最大密實度理論，使各種顆粒達到最大密實化。活性粉末混凝土與常規混凝土相比，具有超高強度、高韌性、高耐久性及高溫適應性等特點[3-4]。RPC面世以來，發展迅速，并成功應用于一些實際工程中[5-8]。目前，國內外掀起了研究RPC的新熱點。

目前，活性粉末混凝土技術在我國客運專線橋梁人行道擋板、蓋板上也得到了一定的應用。采用RPC材料，可以很大程度地減輕橋面荷載，橋面設施的耐久性也可以得到提高。由于RPC的抗拉強度也很高，可保證構件在使用過程中不開裂，整體性能較好，使得構件具有較好適用性和耐久性。

RPC作為一種新型混凝土材料，盡管比常規混凝土更均勻，缺陷更少，但是，RPC的高強度還來源于條件比較苛刻的養護制度，如達到200MPa，需要90℃熱水養護3 d，要達到800MPa，需在400℃下干養護。而這種苛刻的養護制度不利于在工程中推廣應用。因此，本文擬采用標準養護方法對不同摻合料及摻量的RPC的性能進行研究。探討該材料在客運專線工程應用的普遍性。

1 原材料與配合比

活性粉末混凝土是繼高強、高性能混凝土之后，20世紀90年代中期開發出的超高強度、高韌性、高耐久性、體積穩定性良好的水泥基復合材料。

1.1 水泥 （C）

采用新鄉同力水泥廠42.5型普通硅酸鹽水泥（P.O42.5）。水泥性能見表1。

表1 水泥性能

1.2 粉煤灰（FA）

本課題采用平頂山姚孟電力粉煤灰開發有限公司生產的I級粉煤灰。粉煤灰性能見表2。

表2 粉煤灰性能

1.3 礦粉 （SG）

本課題采用信陽明港豫鋼冶金加工有限責任公司微粉廠生產的S95級礦粉，其性能見表3。

表3 礦粉性能

1.4 硅粉 （SF）

本文中RPC采用安陽硅粉廠生產的硅粉，其特征狀態為灰白色細粉，其性能見表4。

表4 灰性能

1.5 細骨料 （S）

混凝土的性能受細骨料影響非常大[8]，混凝土的物理力學性能和耐久性等性能均受其影響。石英砂作為RPC中的唯一骨料，不僅具有較高的強度和硬度，還具有較高的化學穩定性，且不含有害雜質。

本文RPC均采用河南登封某砂廠定做的石英砂，粒徑范圍為0～1.25mm，按粗細程度分為粗砂（S1）、中砂（S2）、細砂（S3）、特細砂（S4）等。不同粗細程度石英砂的實測級配范圍見表5～表6。表觀密度與堆積密度見表5。

表5 不同粗細程度石英砂的實測通過率

表6 石英砂的表觀密度及堆積密度

各級砂子用量按集料最大密實度模型計算。設粗砂、中砂、細砂和特細砂的表觀密度分別為ρ1、ρ2、ρ3和 ρ4，堆積密度分別為和，則單位體積粗砂的質量為：

粗砂的空隙率為：

則單位體積粗砂內的空隙體積為V1，可摻入中砂的質量為：

中砂的空隙率為：

V1體積中砂內的空隙體積為V2，可摻入細砂的質量為：

細砂的空隙率為：

V2體積中砂內的空隙體積為V3，可摻入特細砂的質量為：

所以試驗中各配合比所需各粒級石英砂的質量比為：

粗砂 ∶中砂 ∶細砂 ∶特細砂 =m1∶m2∶m3∶m4

1.6 高性能減水劑（A）

采用江蘇博特生產的聚羧酸型高性能減水劑。

1.7 水 （W）

采用飲用水。

1.8 配合比

根據集料最大密實度模型，本文選擇了粗、中、細三種石英砂組合，采用不同礦物摻合料，振搗成型，制備了14組配合比，尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試件，配合比詳細情況見表7。

表7 配合比

2 結果與討論

2.1 粉煤灰對活性粉末混凝土性能的影響

粉煤灰對活性粉末混凝土性能的影響見圖1。由圖1可見，摻加粉煤灰的活性粉末混凝土比不摻粉煤灰的流動度大，但是隨著粉煤灰摻量的增加，流動度減小。摻加粉煤灰的活性粉末混凝土1 d的強度較基準混凝土的低，3 d強度和7 d強度相差不大，后期強度與不摻粉煤灰的相比有較大提高。如C1-1的28 d強度比B1-1的28 d強度提高了54.9%。活性粉末混凝土早期強度和后期強度均隨著粉煤灰摻量的增加而降低。從表中不難看出，對于組合砂活性粉末混凝土，粉煤灰摻量為10%時，效果最佳。

圖1 粉煤灰對活性粉末混凝土的影響

2.2 礦粉對活性粉末混凝土性能的影響

礦粉對活性粉末混凝土性能的影響見圖2。

圖2 礦粉對活性粉末混凝土性能的影響

由圖2可見，隨著礦粉摻量增加，活性粉末混凝土的流動度增大；摻量越大，增加的幅度越大。隨著礦粉摻量的增加混凝土強度增大，但是1～3 d的混凝土強度增幅不大，7 d強度隨著礦粉摻量的增加而明顯增大，28 d抗壓強度隨礦粉的增大而增加的幅度較大。礦粉摻量為30%的活性粉末混凝土28 d強度比不摻礦粉的提高了89.1%。

2.3 硅灰對活性粉末混凝土性能的影響

硅灰對活性粉末混凝土性能的影響見圖3。

圖3 硅灰對活性粉末混凝土性能的影響

由圖3可見，摻加硅灰的混凝土流動度較大，隨著硅灰摻量的增加，流動度增大。這是由于硅灰的“滾珠”作用使水泥漿體的流動性增加；另外，由于細小的硅灰粒子填充了水泥顆粒間的空隙，將空隙的間水置換出來，成為自由水，使混凝土材料的流動性提高。

由圖3還可以看出，1～3 d齡期時，摻入硅灰的混凝土強度比基準混凝土均有提高，這說明火山灰效應在3 d就產生，使得硅灰有較高的活性。火山灰效應隨著齡期的增加而增強，混凝土的強度也大幅度提高。但是對于相同養護齡期，混凝土強度并不是隨硅灰摻量增大而提高，硅灰摻量為10%時，各齡期的混凝土強度均最高。

2.4 雙摻及三摻對組合砂活性粉末混凝土性能的影響

雙摻及三摻對組合砂活性粉末混凝土性能的影響見圖4。

圖4 雙摻及三摻對組合砂活性粉末混凝土性能的影響

由圖4可見，無論是雙摻還是多摻礦物摻合料，混凝土流動度和抗壓強度與基準混凝土相比均有不同程度的提高。雙摻硅灰和粉煤灰的混凝土流動度和抗壓強度提高幅度均最小，雙摻硅灰和礦粉的混凝土抗壓強度和流動度提高幅度最大。雙摻硅灰和礦粉的混凝土流動度比不摻的提高了47.4%，28 d抗壓強度提高了76.9%。雙摻硅灰和礦粉的混凝土配合比效果最佳。

3 結語

1）摻加粉煤灰的活性粉末混凝土的流動度比不摻粉煤灰的大，但是隨著粉煤灰摻量的增加，流動度減小。活性粉末混凝土早期抗壓強度和后期抗壓強度均隨著粉煤灰摻量的增加而降低。粉煤灰摻量為10%時，效果最佳。

2）活性粉末混凝土的流動度隨著礦粉摻量增加而增大；摻量越大，增加的幅度也越大。活性粉末混凝土后期抗壓強度隨著礦粉摻量的增加而增大的幅度較大。

3）摻加硅灰的混凝土流動度較大，隨著硅灰摻量的增加，流動度增大。隨著硅灰摻量的增加，混凝土抗壓強度增加，后期抗壓強度隨硅灰摻量增加而增大的幅度較大。對于相同養護齡期，硅灰摻量為10%時，活性粉末混凝土抗壓強度均最高。

4）復合摻加摻合料的活性粉末混凝土流動度和強度與基準混凝土相比均有提高。雙摻硅灰和粉煤灰的混凝土流動度和強度提高幅度最小，雙摻硅灰和礦粉的混凝土強度和流動度提高幅度最大。雙摻硅灰和礦粉的混凝土配合比效果最佳。

[1] RICHARD P.Reactive Powder Concrete，a New Ultra-high strength Cementitious Material[C]//Proceedings of the 4th International Symposium on Utilization of High-strength/high-performance Conerete.Paris，1996：1343-1349.

[2] RICHARD P，CHEYREZY M.Composition of Reactive Powder Concrete[J].Cement and Research，1995，25（7）：1501-1511.

[3] ROY D M.Performance and Durability of Concrete and Cement Systems[C]//9th International Congress on the Chemistry of Cement.India：New Delhi，1992：357-380.

[4] 覃維祖，曹峰.一種超高性能混凝土——活性粉末混凝土[J].工業建筑，1999（4）：16-18.

[5] O′Neil，EDWARD F，DOWD，WILLIAM M.High-Performance Pipe Products Fabricated with Reactive Powder Conerete[C]//Proceedings of the Materials Engineering Conference.ASCE，1996：1320-1329.

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[7] DALLAIRE E，AITCIN PC，LACHEMIM.Reactive Powder Concrete Footbridge[C]//International Conference on High Str-ength Concrete.Hawaii：ASCE，1997：13-18.

[8] 宋少民，未翠霞.活性粉末混凝土耐久性研究[J].混凝土，2006（2）：72-74.